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一种具有巨大角磁阻的新型拓扑磁体

导读虽然众所周知电子既携带电荷又携带自旋,但现代电子设备中只有电荷部分被用作信息载体。然而,现代电子学的局限性和摩尔定律即将终结,重新...

虽然众所周知电子既携带电荷又携带自旋,但现代电子设备中只有电荷部分被用作信息载体。然而,现代电子学的局限性和摩尔定律即将终结,重新点燃了人们对开发能够利用电子自旋的“自旋电子学”设备的兴趣。预计自旋电子计算设备的广泛采用可以彻底改变类似于电子发明的信息技术。

自旋电子学的一个关键挑战是找到一种有效且灵敏的方法来电检测电子自旋态。例如,在 1980 年代后期发现的巨磁阻 (GMR) 允许实现此类功能。在 GMR 中,根据铁磁双层的平行或反平行自旋配置,在磁场下电阻会发生很大变化。GMR的发现带动了硬盘驱动技术的发展,这是技术上第一个量产的自旋电子器件。从那时起,其他相关现象的发现,包括在磁场存在下发生的巨磁阻 (CMR),促进了我们对自旋和电荷自由度之间相互作用的理解,并为新兴的自旋电子应用奠定了基础。

在最新一期的《自然》杂志上,由韩国浦项科技大学基础科学研究所(IBS)人工低维电子系统中心的 KIM Jun Sung 教授领导的研究小组( POSTECH,韩国)在磁性半导体 Mn3Si2Te6 中发现了一种新的磁传输现象。该小组发现,在旋转磁场下,电阻变化的幅度可以达到十亿倍。这种取决于磁场角度的前所未有的电阻变化被称为巨角磁阻 (CAMR)。“与之前的磁传输现象不同,仅通过旋转自旋方向而不改变它们的配置,就会引起电阻的巨大变化。

拓扑材料是一类新发现的材料,在自旋电子应用中变得越来越重要。拓扑材料是指其电子结构被描述为“扭曲”的材料。正如莫比乌斯带不能在不从根本上改变其形式的情况下解开一样,除非系统的对称性发生变化,否则拓扑材料中的扭曲电子结构将被保留。这种受拓扑保护的状态可用于托管和控制自旋信息。随着拓扑材料的最新发展,磁性和拓扑电子态共存的拓扑磁体得到了深入研究。这些拓扑磁体具有广泛的潜在应用价值,因为它们的电子结构受到拓扑保护,但可以通过调节自旋配置或方向来改变。这种新型材料为耦合自旋和电荷自由度提供了新的机会,这对于自旋电子应用非常有用。

2018年,研究团队报道了在Nature Materials中发现了一种铁磁半金属Fe3GeTe2。发现这种材料具有独特的节点线形带交叉点,因此被归类为拓扑磁体。这种拓扑磁体的一个独特性质是可以根据自旋方向在节点线状态中解除简并性。扩展这个想法,研究团队专注于磁性半导体,它们在导带或价带中具有拓扑节点线状态。同样,节点线态的能带简并性对自旋方向很敏感,但在磁性半导体中,受自旋旋转控制的能带简并性的提升可以将系统变成半导体或金属。因此,可以通过自旋旋转打开或关闭充电电流,

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